Misurare velocità di deformazione PCB circuiti stampati Misurare velocità di deformazione PCB circuiti stampati | HBM

Come misurare la velocità di deformazione sui circuiti stampati (PCB)

1. Perché le misurazioni della deformazione vengono eseguite sui PCB?

Nella vita di tutti i giorni, tutti noi dobbiamo affidarci ai componenti elettronici integrati nelle automobili, negli smartphone, negli aeroplani e in innumerevoli altri dispositivi, a seconda dell’affidabilità degli stessi. In molti di questi prodotti, sono integrate delle schede a circuito stampato (PCB). L’affidabilità di un’elettronica complessa e di sistemi elettrici completi è il risultato di una progettazione esperta e di test approfonditi.

Le schede a circuito stampato sono esposte a effetti meccanici e termici non soltanto durante la fase di produzione, ma anche in fase di trasporto ed esercizio (ad esempio, deformazione, uso scorretto, vibrazione, urto, esposizione termica).

Durante la fabbricazione di PCB possono verificarsi i seguenti malfunzionamenti e sollecitazioni:

  • Sforzo di flessione in fase di installazione di connettori, guide di alimentazione, piastre di raffreddamento, pin di contatto, terminazioni di saldatura o portabatterie
  • Rottura durante il montaggio del dispositivo montato a superficie (SMD), della tecnologia di montaggio a superficie (SMT) e del dispositivo a foro passante (THD) e dell’installazione con tecnologia a foro passante (THT) e con pin inserito nel foro (PIH)
  • Fessurazioni da sollecitazione e staccamento dei punti di saldatura con sfere allineate in griglia (BGA)
  • Picchi di sollecitazione transitori durante la separazione (determinazione di sollecitazioni critiche / sforzi di taglio durante la separazione)
  • Sollecitazione meccanica elevata (deformazione) che si verifica con raccordi a pressare, serraggio con viti e processi di incapsulamento negli alloggiamenti
  • Hard touchdown delle sonde durante il test ICT

In fase di trasporto e di esercizio, possono verificarsi guasti dovuti alle seguenti cause:

  • Carico meccanico (causa statica)
  • Vibrazioni e urti (causa dinamica)
  • Effetti termici con conseguenti incrinature dovute all'espansione termica (valori α diversi dell'alloggiamento, del dissipatore di calore, del circuito stampato e dei componenti elettronici

Tutti questi effetti possono portare al non funzionamento completo dei componenti. Se un danno sistematico della scheda a circuito stampato viene rilevato troppo tardi, i costi da sostenere saranno molto elevati e direttamente proporzionali al ritardo di rilevamento del danno. La regola del 10 mostra che maggiore è il ritardo della rilevazione di un danno sistematico di un nuovo prodotto, i costi per unità danneggiata aumentano con un fattore 10.

 

2. Requisiti estesi e standard internazionali per i test PCB

Consapevoli del fatto che la rilevazione di danni sistematici nelle fasi iniziali dello sviluppo è essenziale, i produttori OEM oggi chiedono sempre più spesso ai fornitori di verificare la qualità meccanica delle schede a circuito stampato (PCB).

Negli ultimi anni, l’uso delle schede a circuito stampato è aumentato per i seguenti motivi:

  • Uso di saldatura senza piombo (conformità RoHS, linee guida UE) che è più sensibile al carico meccanico e tende a rompersi prima (danno indotto dalla flessione)
  • Elementi di costruzione più compatti come reticoli con sfere allineate in griglia (BGA) invece di dispositivi montati a superficie (SMD)
  • Contatti più rigidi che provocano maggiore tensione meccanica

Sono state create associazioni internazionali come IPC (Association Connecting Electronics Industries) e JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) – 9704 che forniscono linee guida su come e dove eseguire le misurazioni delle deformazioni sulle schede a circuito stampato.

Molte aziende hanno creato delle procedure di test interne per assicurare che vengano eseguiti tutti i passaggi manuali necessari in fase di assemblaggio e hanno sviluppato degli scenari di test per i test di schede a circuito stampato che coprano tutti i casi principali.

3. Come misurare la deformazione sui PCB

I metodi di simulazione numerica come FEA hanno una portata limitata poiché si basano su approcci a modelli matematici. Pertanto, sono necessari almeno test fisici su PCB reali per testare il comportamento alla deformazione reale della scheda. Altri metodi di test come TC e raggi X non sono sufficienti per verificare l’influenza dell’impatto meccanico e, soprattutto, sono estremamente costosi. I valori delle deformazioni sono gli unici valori affidabili per la misurazione della deformazione meccanica delle schede a circuito stampato.

Per questo motivo, al fine di misurare la deformazione delle schede a circuito stampato in maniera estremamente accurata, vengono utilizzati gli estensimetri elettrici. Solitamente, le schede a circuito stampato sono di piccole dimensioni e la difficoltà principale è quella di installare gli estensimetri nel poco spazio disponibile.

HBM offre oltre 2000 estensimetri diversi per applicazioni speciali, oltre ad alcuni estensimetri speciali per la misurazione della deformazione delle schede a circuito stampato. La rosetta in miniatura con tre griglie RF91, ad esempio, è un prodotto eccellente per misurare la deformazione su componenti estremamente piccoli. È disponibile in varianti diverse. Le rosette a tre griglie sono utilizzate per le applicazioni di misurazione della deformazione delle schede a circuito stampato perché la direzione della deformazione principale non è nota.

RF91 è disponibile in due versioni diverse: Precablata e con cuscinetti saldati integrati. Ha un diametro di soli 5mm e può, quindi, essere montata facilmente sulle schede a circuito stampato. Per i test su schede a circuito stampato è possibile utilizzare anche altri estensimetri, come RY31-3/120 (diametro di 6,9mm).

Caratteristiche principali della rosetta in miniatura HBM RF91

  • Diametro di soli 5mm per applicazioni in miniatura
  • Resistenza di 120 Ω e disponibile a magazzino
  • Misurazione dello stato di tensione a due assi con direzione della sollecitazione principale non nota
  • Tre griglie di misura impilate
  • Compensazione della temperatura di acciaio austenitico e alluminio per acciaio ferritico
  • Precablata (0,5m) o con cuscinetti per saldatura
  • Nessuna saldatura sull’estensimetro
  • Utilizzabile con configurazioni  a quattro fili HBM a due, tre e brevettata
  • Cavo in rame isolato con vernice in diversi colori

New: PCB Test Kit

Start your measurement right away with the PCB Test Kit. From the matching strain gauges to the measuring bridge amplifier and the data acquisition software, the kit includes everything you need for strain measurements on PCBs in compliance with IPC/JEDEC 9704.

From the sensor to the result, simply “plug and measure”:

  • Strain Gauges in compliance with IPC/JEDEC 9704 and their installation aids
  • QuantumX bridge amplifier module MX1615B
  • Ready-to-use measurement project in catman DAQ Software

To PCB Test Kit

PCB Test Kit Key Facts:

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4. Dove misurare la deformazione sulle schede a circuito stampato

Lo stato di tensione sulle schede a circuito stampato è per lo più sconosciuto e complesso dal punto di vista meccanico. Le sollecitazioni hanno come risultato la deformazione di una piastra che non segue i classici modelli di deformazione del raggio o torsione di un albero descritti in modo preciso dall'statica meccanica lineare. Inoltre, bisogna considerare che una scheda a circuito stampato assemblata contiene molti componenti singoli saldati o collegati in modo diverso alla scheda. Ciò significa che una scheda a circuito stampato è piuttosto eterogenea in termini di proprietà dei materiali.

Non è né utile né possibile rispetto ai costi e ai tempi controllare ogni singola sezione di un PCB in base alle proprietà e al comportamento della deformazione. Per questo, le misurazioni sulle schede a circuito stampato vengono impostate in aree delle stesse dove il rischio di danneggiamento è tendenzialmente maggiore, quali:

  • Angoli: Gli angoli, se fissati, possono essere critici dal punto di vista meccanico.
  • Zone rigide della scheda (ad esempio quelle vicino ai condensatori): Gli elementi di grandi dimensioni portano a una maggiore rigidità della scheda a circuito stampato.
  • Zone vicine alle interconnessioni (danni dei giunti saldati): I punti di saldatura sono punti deboli in termini di resistenza allo snervamento.

5. Come installare la rosetta miniaturizzata RF91 sui PCB

1. PCB Preparation for Installation

 

First, the printed circuit board must be prepared for the installation of a foil strain gauge. This video shows the required steps.

2. Collegamento di una rosetta RF91 a un PCB

 

Questo video illustra come una rosetta viene incollata su un circuito utilizzando l'adesivo a indurimento rapido Z70.

3. Acquisizione dati con un PCB

 

Infine, l'implementazione verrà illustrata per mezzo di un circuito stampato che utilizza QuantumX MX1615B e il software di misurazione catman.

Amplificatori di misura QuantumX

QuantumX è un sistema di acquisizione dati modulare HBM, liberamente scalabile e distribuibile  per scopi di misurazione e test che consente un'innovazione più rapida. Tutti i moduli offrono un'interfaccia Ethernet e possono essere liberamente combinati tra loro. Tutti i canali funzionano completamente sincronizzati nel tempo - da modulo a modulo con <1 µs.

Ogni canale può essere parametrizzato individualmente via software, supportando quanto segue:

  • Estensimetri in full, half o quarter bridge (120 o 350 Ω)
  • Tensione standard, PT100, resistenza, potenziometro
  • Velocità dati individuali fino a 20kS / s per canale, filtro passa basso attivo

QuantumX MX1615B

Caratteristiche principali di QuantumX MX1615B: 

  • Ingresso ponte, PT100/RTD, tensione, potenziometro selezionabile per ognuno dei 16 convertitori ADC a 24 bit
  • DC o frequenza portante (CF) per la massima riduzione del rumore
  • Resistore di completamento quarter-bridge interno da 120 e 350 Ω
  • Tecnologia a sei fili per la configurazione a ponte completo
  • Tecnologia a cinque fili per la configurazione a mezzo ponte
  • Tecnologia a tre e quattro fili per gli estensimetri quarter-bridge
  • Velocità di trasferimento dati di 20kS/s, ampiezza di banda di 3kHz
  • Isolamento galvanico (da canale a canale, a alimentatore, a rete)

6. Come impostare la misurazione della deformazione in catman®AP

Con il software DAQ catman AP di HBM, impostare la misurazione della deformazione di una scheda a circuito stampato è molto semplice. Uno dei punti di forza di catman è infatti la visualizzazione facile e rapida dei dati. La registrazione dei dati può essere effettuata in modi diversi usando il trigger o punti temporali speciali.

Le tre griglie di misura della rosetta RF91 consentono di calcolare il valore minimo e massimo della deformazione principale e gli angoli corrispondenti. Le ultime versioni di catman supportano anche la misurazione della velocità di deformazione (la deformazione viene derivata dal tempo).

Sollecitazione principale massima
Sollecitazione principale massima
Misurazione della velocità di deformazione
Misurazione della velocità di deformazione

Di seguito viene illustrato come impostare la misurazione della velocità di deformazione in catman:

1. Aprire il software catman e controllare il canale dell’estensimetro interessato. La luce verde indica che il canale è stato rilevato ed è pronto per la misurazione. In questo esempio, le tre griglie della rosetta sono collegate con i Canali 1, 2, 3.

catman channel settings

 

2. Utilizzare il database dei sensori per assegnare i canali all’applicazione del sensore. In questo caso, selezionare e trascinare l’estensimetro a 3 fili e 120 Ω su ognuno dei tre canali di deformazione attivi.

Assigning sensors to channels in catman

1. È ora necessario impostare le specifiche del sensore. Impostare i parametri corretti utilizzando il fattore k visualizzato sulla specifica di ciascuna confezione di estensimetri HBM. Inserire la tensione di eccitazione, il fattore bridge e l’intervallo di misura. Assicuratevi anche di tenere conto del polinomiale di compensazione della temperatura se volete considerare in modo corretto le proprietà del materiale al fluttuare della temperatura.

 

2. Impostare la frequenza di campionamento (classica o decimale) e i filtri correttamente prima di avviare la misurazione. Fare clic su ‘Create new sensor’ (Crea nuovo sensore) e attivare ‘Update in sensor data base’ (Aggiorna in database sensori) per salvare i parametri nel database.

 

3. Selezionare tutti i canali e azzerare i canali della rosetta relativi alla deformazione. Vengono visualizzati i canali relativi alla deformazione.

1. È ora necessario impostare il canale del calcolo della rosetta. Bisogna creare un nuovo canale e con catman l’utente può facilmente creare impostazioni diverse per i calcoli della rosetta..

 

2. Aggiungere tutti e tre i canali in a, b, c e definire le proprietà del materiale e la sensibilità trasversale degli estensimetri. Scegliere il tipo di rosetta giusto (0/45 o 60/120 per le rosette a tre griglie). Selezionare le deformazioni rilevanti (deformazione principale, sforzo di taglio).

 

3. Infine, fare clic su ‘Create calculation’ (Crea calcolo). I canali calcolati vengono ora visualizzati nell’elenco dei canali.

 

4. Impostare un nome e fare clic su ‘Apply changes’ (Applica modifiche)

 

5. I canali calcolati vengono ora visualizzati nell’elenco dei canali.

Passare a ‘Visualization’ (Visualizzazione) e configurare la propria GUI

catman®AP DAQ Software

catman®AP HBM è un potente pacchetto software per l'acquisizione e l'analisi dei dati basata su PC. Grazie a un'interfaccia utente intuitiva, ti bastano pochi clic per iniziare la misurazione. È sufficiente configurare l'amplificatore utilizzando TEDS, la scheda tecnica elettronica del trasduttore o il database dei sensori estensibili e il test può iniziare.

Molte opzioni per l'analisi grafica dei dati e opzioni di esportazione versatili rendono catman®AP uno strumento affidabile e indispensabile per ogni tecnico di misura.

catman AP

Caratteristiche principali del catman®AP 

  • Risultati di misura facili e rapidi
  • Procedure di test automatizzate
  • Test di durabilità (analisi rainflow)
  • Modulare, gratuito, scalabile in base ai canali
  • Elaborazione in tempo reale e post elaborazione
  • Uso di formule matematiche per il calcolo delle rosette
  • Generazione di report e esportazione di dati
  • Misurazione della deformazione e della velocità di deformazione
Deformazione principale del PCB massima consentita basata su IPC / JEDEC-9704
Deformazione principale del PCB massima consentita basata su IPC / JEDEC-9704

7. Analisi dei dati in catman®

Lo scopo dell'analisi è verificare se i dati misurati soddisfano i criteri accettabili per la deformazione del PCB. Il diagramma seguente illustra le linee di delimitazione in funzione della velocità di deformazione e dello spessore della scheda secondo IPC / JEDEC-9704A (2012).

L'idea è che la deformazione principale massima (asse Y) non dovrebbe superare un certo valore. Con uno spessore maggiore del PCB sono accettabili sforzi principali più elevati. Inoltre, è necessario considerare un altro criterio: la velocità di deformazione. Ciò significa che la durata di vita di un PCB è influenzata non solo dal valore puro della tensione principale massima, ma anche dalla velocità di variazione della tensione (impulso). I rapidi cambi di materiale di solito provocano microcricche e danni materiali.

1. Per analizzare i dati del test, apri un nuovo progetto "Analizza" in catman®.

 

2. Cerca i dati del test e trascinali nella colonna a destra.

1. Ora passa al pannello ‘Visualizzazione’ . Crea un grafico trascinando e rilasciando i dati di test del galibro 1 sulla superficie vuota

 

2. Quindi scegli la corrispondente velocità di deformazione 1 e trascinala sul misuratore di testo 1[01] nelle spiegazioni del grafico. Usa la velocità di deformazione 1 come asse x 

 

3. Apparirà il seguente grafico:

 

4. Poiché questa non è la forma desiderata del grafico, configura la trama come segue (dotted-style).

 

5. Regola l'asse x scegliendo un ridimensionamento logaritmico manuale.

1. Per rappresentare la linea limite, definire la seguente funzione serie di dati  (secondo IPC/JEDEC-9704):

Max deformazione ammissibile = sqrt[2.35/(PWB spessore)]*[1900-300*log(deformazione)]

 

e x come funzione.

1. Visualizza infine le funzioni calcolate. Trascina e rilascia il calcolo ‘Limiti’ sul grafico visualizzato. Quindi trascina e rilascia il calcolo ‘x_channel’ sui limiti nelle spiegazioni del grafico  e usalo come asse x

 

2. Il grafico risultante appare come segue:

In accordo a IPC/JEDEC-9704  le linee guida per i test sugli estensimetri della scheda di cablaggio stampato, la deformazione misurata rientra nell'intervallo di deformazione accettabile. Il PCB testato non viene quindi danneggiato durante il processo di fabbricazione.

8. Glossario

  • BGA: Ball Grid Array (sfere allineate in griglia)
  • FEA: Finite Element Analysis (analisi a elementi finiti)
  • ICT: In-Circuit Test (test in circuito)
  • JEDEC: Joint Electron Device Engineering Council (organism di standardizzazione dei semiconduttori)
  • PCB: Printed Circuit Board (scheda a circuito stampato)
  • SMT: Surface-Mounted Technology (tecnologia di montaggio a superficie)

 

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